JP2006167495A - 熱駆動型超臨界流体供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的な可動部分を実質的に有さない熱駆動により高圧流体を供給する装置を提供する。
【解決手段】熱媒流路内に形成された、１又はそれ以上の吐出器と、加熱器、冷却器を有し、該吐出器内のプロセス流体に、定容加熱、定圧加熱及び充填の各処理を繰り返すことにより、高圧プロセス流体が吐出される熱駆動型高圧媒体供給装置であって、各吐出器と加熱器、冷却器が、熱媒流路内で、カスケード構造となるよう構成されている熱駆動型高圧流体供給装置。
【効果】複数の吐出器を加熱・冷却する熱媒の流れを制御することにより、吐出器を効率的に加熱すること、及び流体の再充填を迅速に行うことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、亜臨界ないし超臨界の高温高圧水等の高圧プロセス流体を供給するための装置において、高圧ポンプや圧縮機等の可動機械を不要とする熱駆動型高圧流体供給装置に関するものであり、更に詳しくは、定容加熱、定圧加熱、及び充填の処理を、複数の吐出器で順次繰り返し、熱膨張により、高圧プロセス流体を連続して吐出することを可能とする熱駆動型高圧流体供給装置であって、熱媒系の流路の設定、及びバルブの切り替えにより、迅速且つ効率的な高圧プロセス流体の供給を可能とするものである。本発明は、例えば、亜臨界ないし超臨界流体である高圧流体を利用した、抽出分離、有機合成反応等の高圧プロセスの技術分野において、ポンプやコンプレッサー等の可動機械を用いない高圧プロセス流体処理システムの構築を可能とするものである。

従来、高温高圧の流体、例えば、亜臨界ないし超臨界流体を利用する反応プロセスは、香料の抽出、廃棄物の処理、有機化合物の合成反応等（特許文献１、２、３参照）の、広い技術分野で利用され、その流体中では、従来にない特異な反応が進行するものとして注目されているが、流体を亜臨界ないし超臨界等の高温高圧とするために、ポンプ、コンプレッサー等の各種高圧発生機械が使用されていた。高圧の二酸化炭素や水は、極めて安定で、人体へ害を及ぼさない安全な物質であり、環境に優しい物質として、また、優れた溶解性を有する溶媒として、抽出、洗浄、廃棄物処理、有機合成等の広範な応用が期待され、研究されている。しかしながら、高温高圧の流体を供給するためには、特別仕様の高圧発生機械類の使用が必要である。また、高圧機械の使用に際しては、高圧流体の漏れ、可動部分からの塵埃の発生、騒音等の問題が発生し、特に、高圧機械類のメンテナンスは高度な専門知識を必要とすることから、高圧プロセスを種々の操作へと広く利用し、普及するに際しての障害となっている。

高圧操作に供する圧縮機、ポンプ、反応器等の選定においては、操作圧力、流体流量、使用温度等によって採用する機器が決められるのが一般的であるが、亜臨界ないし超臨界等の高圧プロセスは、通常の化学プロセスとは、流体の種類、流量、圧力等が大きく異なることが多い。そのため、圧縮機自体も特殊なものとなることが多くなり、その選定は容易ではない。また、実際の操作や実験の圧力条件が、既存の高圧発生機械の仕様により制限されることがあり、実験又は反応工程等の最適条件で運転することが困難となる場合がある。また、特殊な機器の使用は、高圧流体供給装置のコスト上昇の一因ともなっている。

そこで、亜臨界ないし超臨界の流体を利用するプロセスにおいて、ポンプを用いない高圧流体供給システムが提案されている（特許文献４参照）。しかしながら、このシステムは流体輸送の駆動を密度差に求めるものであり、流体輸送に際しての差圧の付与に限界が生じる。例えば、凝縮器、蒸発器を設置し、気液の密度差を利用して差圧を発生させる場合に、凝縮器と蒸発器の高低差でヘッドを付与するため、相当な高低差を取らなければならず、設置場所が制限される。しかも、輸送のための配管の径や、バルブ等のフィッテング類も、圧力損失を考慮して決定しなければならず、大量処理には、それ相当の工夫を要するという問題がある。

また、可動部分を有しない、熱駆動の超臨界水供給装置（特許文献５参照）が報告されているが、熱駆動システムの駆動原理の概要は示されているものの、その心臓部ともいえる、加熱・冷却方法又はその装置についての具体的な記載はなく、このようなシステムを、実用化して熱駆動システムを構築するには不十分な技術情報しか得られなかった。

また、最近、超臨界水中での瞬間的反応により、各種の有機化合物の合成反応が報告され、こうした反応では、反応器内での滞在時間が数秒以下であることが多いが、これを実現させるために、予め反応温度以上に加熱された高圧水を過剰に反応器に供給する操作がなされており、このような操作に適応することが可能な、新しい超高圧流体供給システムが望まれていた。

国際公開ＷＯ９９／５３００２号明細書 特開平１０−１１８６０９号公報 特開２００２−２８５２５８号公報 特許第３０７９１５７号公報 特開２００３−１２６６７３号公報

このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、上記従来技術における諸問題を抜本的に解決することを可能とする新しい熱駆動型高圧流体供給装置を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、吐出器内のプロセス流体（以下、流体とも言う。）を効率的に加熱するとともに、プロセス流体の再充填を素早く行うことを可能とする手法を見出し、本発明を完成するに至った。本発明は、熱エネルギーの授受による流体の状態変化のみによって、実質的に圧力差を付与させ、これによって特段の機械的操作を用いることなく、亜臨界ないし超臨界等の高圧流体を得ることが可能な熱駆動型高圧流体供給装置において、吐出器内のプロセス流体の効率的な加熱と、迅速な再充填を可能とすることを目的とするものである。また、本発明は、吐出器内のプロセス流体を加熱冷却するための、効率の良い熱媒流路系を設定することを目的とするものである。また、本発明は、安定かつ効率的にクリーンな、超臨界流体等の高圧流体を供給することを目的とするものである。また、本発明は、高圧媒体の漏れ、可動部分からの粉塵、騒音等の発生のない高圧流体供給装置を提供することを目的とするものである。また、本発明は、化学合成技術、抽出技術、産業廃棄物処理技術等において、高温高圧の反応場を提供することが可能な熱駆動型高圧流体供給装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、熱媒流路内に形成された、１又はそれ以上の吐出器と、加熱器、冷却器を有し、該吐出器内のプロセス流体に、定容加熱、定圧加熱及び充填の各処理を繰り返すことにより、高圧プロセス流体が吐出される熱駆動型高圧媒体供給装置において、各吐出器と加熱器、冷却器が、熱媒流路内で、カスケード構造となるよう構成されていることを特徴とする熱駆動型高圧流体供給装置、である。

本発明の装置は、（１）各吐出器と加熱器、冷却器は、直列に接続されて加熱流路及び冷却流路を形成し、加熱・吐出を完了した吐出器は、冷却流路の最下流に接続され、充填過程を終了した吐出器は、加熱流路の最下流に接続されるように構成されていること、（２）ｎ個の吐出器を有する熱駆動型高圧流体供給装置において、第ｉ番目（ｉは１〜ｎの整数）の吐出器の熱媒入口は、加熱器出口、冷却器出口、及び第ｉ＋１番目（ｉ＋１がｎ＋１の時は１番目）の熱媒出口に接続され、第ｉ番目の吐出器の熱媒出口は、加熱器入口、冷却器入り口、及び第ｉ−１番目（ｉ−１が０のときはｎ番目）の吐出器の熱媒入口に接続されていること、（３）吐出器を冷却することにより、吐出器内にプロセス流体が充填されること、（４）プロセス流体貯蔵タンクと吐出器の高低のレベル差により、吐出器内にプロセス流体が充填されること、（５）プロセス流体をポンプ輸送することにより、吐出器内にプロセス流体が充填されること、（６）加熱器から直接加熱器へ循環可能な熱媒流路、及び冷却器から直接冷却器へ循環可能な熱媒流路を更に有し、加熱流路及び冷却流路が独立して形成されること、（７）冷却器に流入する熱媒と加熱器に流入する熱媒との間で熱交換を行うことが可能な熱交換器が設けられていること、（８）上記プロセス流体が、亜臨界ないし超臨界の流体であること、（９）上記プロセス流体が、水、二酸化炭素であること、（１０）上記定容加熱が、温度２５０℃以下、圧力４００ＭＰａ以下で行われること、（１１）上記定圧加熱が、８００℃以下で行われること、を好ましい態様とするものである。また、本発明は、上記の熱駆動型高圧流体供給装置から供給される高圧流体を反応場とすることを特徴とする高圧流体利用装置、である。

次に本発明について、更に詳細に説明する。
本発明は、熱媒流路内に形成された、１又はそれ以上の吐出器と、加熱器、冷却器を有し、該吐出器内のプロセス流体に、定容加熱、定圧加熱及び充填の各処理を繰り返すことにより、高圧プロセス流体が吐出される熱駆動型高圧媒体供給装置であって、各吐出器と加熱器、冷却器が、カスケード構造となるように熱媒流路が構成されていることに特徴を有するものである。

本発明のプロセス流体としては、例えば、水、二酸化炭素が例示されるが、これ等に限定されるものではない。本発明の熱駆動型高圧流体供給装置により供給される高圧プロセス流体は、例えば、亜臨界ないし超臨界の流体であり、例えば、高圧プロセス流体を反応場とする有機合成反応器、抽出器、染色器、晶析器等に供給され、使用される。また、本発明で使用される熱媒としては、水及び熱媒油等が例示されるが、加熱温度条件等に応じて適宜選択され、これ等に限定されるものではない。

次に、本発明で使用される、高圧プロセス流体を供給するための吐出器について、図１に示した概略図を用いて説明する。吐出器は断熱された高圧容器であり、流体充填用バルブＶ１と高圧流体吐出用バルブＶ２を備えている。更に、充填した流体を加熱・冷却するための熱媒体を流通する伝熱管を備えている。この吐出器の内部に収容したプロセス流体に対し、次の、定容加熱、定圧加熱、充填過程を繰り返すことで高圧プロセス流体が吐出され、供給される。

定容加熱過程：吐出器に流体を充填した状態で両バルブを閉じ、密閉状態で所定圧まで熱する。
定圧加熱過程：吐出側の圧力制御弁Ｖ２を開き，内部圧力を一定に保持したまま加熱を続け、熱膨張による流体の吐出を促す。吐出流体は高圧流体利用プロセスへと送られる。あらかじめ定めた温度に達したら加熱を終了する。
充填過程：残留流体を排出するか冷却した上でＶ１を開き、貯蔵タンク内の流体を再充填する。
定容加熱過程は、温度２５０℃以下、圧力４００ＭＰａ以下の条件で行われるのが好ましく、また、定圧加熱過程は、温度８００℃以下で行われるのが好ましい。

本発明における、吐出器に流体を充填する過程の具体例として、（１）冷却を利用するもの、（２）流体の高低レベル差を利用するもの、及び（３）ポンプ輸送を利用するものについて説明する。
（１）定圧冷却による充填
定圧加熱による吐出を終えた段階で吐出器内の流体は、例えば、高温・高圧の超臨界状態となっている。この状態から、定容冷却・定圧冷却の２過程を施すことで充填が可能になる。まず、吐出を終えたら吐出用バルブＶ２を閉じ、密閉状態とする。この状態で伝熱管に低温の熱媒を流し、定容的に冷却を行う。密度を一定として温度が下がっていくので、内部の圧力が低下していく。最終的に圧力が初期の圧力、すなわち、充填流体の圧力と等しくなった段階で定容冷却を終了し、次の定圧冷却に移る。定圧冷却では充填用バルブＶ１のみを開いて行う。Ｖ１を開いて冷却を行うと内部の流体圧力は下がろうとするが、Ｖ１の外にある流体との間に圧力差が生じるので流体が自動的に充填される。超臨界流体を定容的に冷却すると多くの場合は気液に分離するが、その場合も同様に定圧冷却を行うことで気相部分が凝縮し、やはり圧力が下がろうとするのでＶ１の外と圧力差が生じ充填が行われる。

（２）高低レベル差による充填
高低レベル差を用いた充填の概略図を図２に示す。この場合は、Ｖ１、Ｖ２に加え、残留流体回収用のバルブＶ３を追加し、吐出器より物理的に高い位置に設置した凝縮器へのパスを追加する。更に、凝縮器と吐出器の中間の高さに貯蔵タンクを設置する。冷却による充填と同様に、吐出を終えたら、Ｖ１、Ｖ２ならびにＶ３を閉じ、定容冷却を開始する。ある程度圧力が下がった段階でＶ３を開くと、内部の高圧蒸気は凝縮器へと抜ける。続いてＶ１を開くと貯蔵タンク内の流体がレベル差により吐出器へと流入する。内部に残留していた流体は蒸発して凝縮器へと移動するか、又はそのまま外に押し出され、やはり蒸発して凝縮器に入り、凝縮して貯蔵タンクに戻る。

（３）ポンプ輸送による充填
ポンプ輸送による充填の概略は、Ｖ１、Ｖ２に加え、残留流体回収用のバルブＶ３を追加し、凝縮器を設置するとともに、吐出器より凝縮器、貯蔵タンクへのパスを追加し、更に、貯蔵タンクと吐出器の中間にポンプ設置する。吐出器からの高圧プロセス流体の吐出を終えたらＶ１、Ｖ２ならびにＶ３を閉じ、定容冷却を開始する。ある程度圧力が下がった段階で、Ｖ３を開くと内部の高圧蒸気は凝縮器へと抜ける。続いてＶ１を開くとともに、ポンプを作動させると、貯蔵タンク内の流体が吐出器へと充填される。内部に残留していた流体は、蒸発して凝縮器へと移動するか、又は、そのまま外に押し出され、蒸発して凝縮器に入り、凝縮して貯蔵タンクに戻る。

これらの例示された、異なる機構に基づいた充填方式を比較して、それらのメリット・デメリットを簡単に説明する。冷却による充填は、新たなバルブや凝縮器を追加する必要がなく、非常にシンプルな構成で実現可能である。ただし、用いる流体によっては十分な冷却を行うために高い冷却能力を必要とする。一方、高低レベル差によると、バルブや凝縮器を追加し、タンクを高い位置に設置するために装置が複雑で大きくなる、複雑な流路による抵抗が大きくなる等のデメリットがあるが、ある程度の冷却を行えばよいので熱媒温度をあまり低くする必要がない。また、レベル差を十分にとると、すばやく充填を行うことが可能になる。ポンプ輸送によると、ポンプの強力な充填作用により、システムの適用範囲が増し、柔軟に運転することが可能となるが、新たな可動ポンプを追加する必要がある。

次に、本発明の熱媒系配管ネットワークとバルブ切り替えについて説明する。
本発明では、吐出器が定圧加熱を行っている段階で高圧の超臨界流体が吐出する。その前の加熱、ならびに、その後の冷却・充填は吐出のための準備段階である。よって、連続的な吐出を実現するためには、複数の吐出器を用い、吐出のタイミングをずらすことが必要となる。このとき、熱媒のネットワークをどのように組めば熱効率がよいのか、また、どのようなタイミングで加熱・冷却を切り替えればよいのかということが重要となる。このことに対し、２種類の熱媒系配管ネットワークとそれぞれのバルブ切り替え規則について、具体例を示して説明する。

（１）単一熱媒系について
これは、１種類の熱媒を使用しで、吐出器の加熱・冷却を実行するものである。例えば、吐出器を４個とした場合の、熱媒系の配管フロー図を、図３に示す。１〜４の各吐出器は、プロセス流体を充填・吐出するためのバルブＶ１、Ｖ２或いはＶ３を各々備えているが、ここでは、熱媒の流れのみを考えるので、これらのプロセス流体の流路は省略している。図中に示した吐出器は各５個ずつのバルブを備えているが、これらは熱媒の流れを制御するためのものである。なお、図３では吐出器数を４個としているが、これは一例であり、実際には任意の自然数とすることが出来る。吐出器の数を一般的にｎとしたときの熱媒系の配管ルールを示す。熱媒系はｎ個の吐出器と１台の加熱器、１台の冷却器、熱媒の流量と圧力を調整するバルブとポンプ、及び熱交換器から構成される。第ｉ番目（ｉは１〜ｎ）の吐出器の熱媒入り口は、加熱器出口、冷却器出口、第ｉ＋１番目（ｉ＋１がｎ＋１のときは１番目）の吐出器の熱媒出口の３箇所に接続し、それぞれにバルブを設置する。熱媒出口は、加熱器入り口、冷却器入り口、第ｉ−１番目（ｉ−１が０のときはｎ番目）の吐出器の熱媒入り口に接続し、それぞれバルブを設置する。冷却器出口は、各吐出器の他に加熱器入り口にも接続し、同様に加熱器出口は冷却器入り口にも接続する。必要があれば、加熱器入り口の直前と冷却器入り口の直前に熱交換器を設置する。

バルブ切り替えのルールは以下のとおりである。
（ａ）熱媒流路は単一の循環とし、分岐や孤立はないようにする。つまり、各吐出器と加熱器、冷却器は全て直列で接続される。
（ｂ）加熱・吐出を終了した吐出器は冷却路の最下流に接続する。
（ｃ）冷却・充填を終了した吐出器は加熱路の最下流に接続する。
次に、この規則に則ったバルブ切り替えを、吐出器を４個とした場合で説明する。まず、全吐出器に流体を充填した状態から開始する。開始時に何個の吐出器を加熱し始めるかは任意であるが、ここでは全てを加熱することにする。

加熱器を出た高温の熱媒はＶ４２を通って吐出器４を加熱する。若干温度が下がるがまだ十分な熱を持っているので、これを、Ｖ３３を経由して吐出器３に導入する。同様にＶ２３から吐出器２へ、Ｖ１３から吐出器１へと流れる。続いてＶ１５を通って冷却器に入る。この段階では、どの吐出器も冷却を行う必要がないのでＶ５２を経由して加熱器へと戻す。ここに挙げたバルブ以外は全て閉とする。この操作を続けると、最も高い温度で加熱された吐出器４が、所定圧に達して吐出を開始する。更に加熱を続けると、次に温度の高い吐出器３が吐出を開始する。同様に、吐出器２、吐出器１が吐出を開始するが、所定の温度に達した吐出器４は冷却過程へと移行する。

吐出器４のみを冷却とする場合は、加熱器から出た高温の熱媒は、Ｖ３２を経由して吐出器３へ、Ｖ２３から吐出器２へ、Ｖ１３から吐出器１へと流れ、Ｖ１５を経由して冷却器に入る。続いて、冷却器を出た熱媒はＶ４１を経て吐出器４を冷却し、Ｖ４４を通って加熱器へと帰ってくる。ここで挙げたバルブ以外は全て閉とする。吐出器３が吐出を終え、冷却過程に入ったら熱媒は加熱器から吐出器２、吐出器１と通って冷却器に入り、冷却器を出た熱媒は、吐出器４、吐出器３と冷却して加熱器へと帰る。先に冷却過程に入った吐出器４が充填を終え、再び加熱の用意が出来たら吐出器１の下流で熱を受ける。つまり熱煤の流れは加熱器、吐出器２、吐出器１、吐出器４、冷却器、吐出器３、加熱器といったループになる。

以上のように、加熱を終えた吐出器は冷却の最下流、冷却・充填を終えた吐出器は加熱の最下流に接続するというルールで運転を続けると、単一の熱媒ループ、すなわち単一の熱媒で全吐出器の加熱・冷却が可能となる。もし加熱器に入る熱媒の温度が冷却器に入る熱媒の温度より低ければ、図３に示した再生熱交換器を用いて熱交換を行うことで熱効率を改善することが出来る。

（２）個別熱媒系について
この系は、二種類の熱媒を使用して、吐出器の加熱と冷却を別個の熱媒で実行するものである。単一熱媒系を拡張した個別熱媒系を具体例として説明すると、単一熱媒系にいくつかのパスとバルブ、ポンプを追加したもので、単一熱媒系を内部に含み、その配管系は、吐出器を４個とした場合の配管図を図４に示す。これも、単一熱媒系と同様、吐出器の数は任意である。単一熱媒系との違いは、加熱器から加熱器へ、冷却器から冷却器へのパスを追加し、熱媒の流量と圧力を調整するポンプとバルブが追加された点である。

バルブ切り替えについては、個別熱媒系の配管は、単一熱媒系に２つの新たなパスを追加しただけである、単一熱媒系のバルブ切り替えを適用することで、先ほどと同様の運転が可能である。更に、加熱と冷却を、個別の熱媒循環で行うためのバルブ切り替えルールは次のとおりである。
（ａ）熱媒流路は、加熱系の循環と冷却系の循環のみとし、分岐や孤立はないようにする。即ち、加熱系は加熱器と被加熱吐出器の直列循環、冷却系は冷却器と被冷却吐出器の直列循環とする。
（ｂ）加熱・吐出を終了した吐出器は冷却路の最下流に接続する。
（ｃ）冷却・充填を終了した吐出器は加熱路の最下流に接続する。

そこで、吐出器４個の場合での運転例を示す。単一熱媒系と同様に、４個の加熱器全てを加熱することからはじめる。加熱器から出た熱媒は、Ｖ４２から吐出器４へ、Ｖ３３から吐出器３へ、Ｖ２３から吐出器２へ、Ｖ１３から吐出器１へと流れ、Ｖ１４を通って加熱器へと帰る。このとき冷却される吐出器はないので、冷却器を出た熱媒はＶ５４を経由してすぐに冷却器に戻る。ここに示したバルブ以外は全て閉とする。始めに、吐出器４が吐出を終え、冷却過程へと移行する。この場合は、加熱器から出た熱媒は、吐出器３、吐出器２、吐出器１の順に加熱し、加熱器へと帰る。冷却器を出た熱媒は、Ｖ４１を通って吐出器４を冷却し、Ｖ４５から冷却器に戻る。次に、吐出器３が冷却過程に移行したら、吐出器４の下流で冷却を行う。そのときの熱媒の流れは、加熱器、吐出器２、吐出器１、加熱器の加熱系と、冷却器、吐出器４、吐出器３、冷却器の冷却系からなる。吐出器４が冷却・充填を終え、再び加熱過程に移行したら、吐出器１の下流に接続する。そのときの熱媒の流れは、加熱器、吐出器２、吐出器１、吐出器４、加熱器の加熱系と、冷却器、吐出器３、冷却器の冷却系から構成される。

以上のように、加熱を終えた吐出器は冷却の最下流に、冷却・充填を終えた吐出器は加熱の最下流に接続する。加熱の最下流からの熱媒は加熱器に戻し、冷却の最下流からの熱媒は冷却器に戻す。もし、加熱器に戻る熱媒の温度が冷却器に戻る熱媒の温度より低ければ、図４に示したように、熱交換器を利用することで熱効率を改善することが出来る。

次に、本発明の熱駆動型高圧流体供給装置において、作動流体を二酸化炭素とし、充填方法として冷却による方法を採用した場合についての運転例を、シミュレーションに基づいた具体的な数値を用いて説明する。運転目的は、初期状態５℃、４ＭＰａの二酸化炭素を２０ＭＰａに昇圧して吐出させることである。吐出終了の条件は、温度が１５０℃に達した時とした。シミュレーションの結果を図５に示す。図５には、各吐出器の温度変化と、合流した吐出器流体の温度変化、各吐出器の圧力変化、各吐出器の密度変化、各吐出器からの吐出流量と、それらを合流させた吐出流体の流量が示されている。始めは、加熱中の吐出器数が４の状態から開始する。開始直後に、加熱路最上流の吐出器４が、所定圧である２０ＭＰａに達し、吐出が始まる。続いて、吐出器３、吐出器２、吐出器１と吐出が始まるが、開始４１秒後に吐出器４が、１５０℃に達して吐出を終了する。この段階で吐出器４は冷却路に入り温度が下がり始める。１１３秒後に吐出器１の充填が完了し、1周期目が終了する。１周期目は全ての吐出器が同時に加熱されるために、吐出流量が大きくなっているが、２周期目では、各吐出器の温度ピークが周期的に現れていることから、適切なタイミングで、熱媒の切り替えが行われていることがわかる。また、流量のグラフを見ると、各吐出器の吐出流量は間欠的であるが、全てを合流させると、若干の脈動は見られるものの、連続的な吐出が行われていることがわかる。

以上、単一熱媒系、個別熱媒系の２通りを示したが、これらに共通する特徴は、加熱及び冷却が、それぞれ直列のカスケード構造となっていることである。これにより温度の高い吐出器は温度の高い熱媒で加熱され、温度の低い吐出器は下流の温度の低い熱媒で加熱されることになり、吐出のタイミングが自動的にずれて連続的な吐出が行われる。また、冷却される一連の吐出器と冷却熱媒、及び加熱される一連の吐出器と加熱熱媒はそれぞれ向流型熱交換器と等価な並びとなっているため、加熱・冷却の効率が良い。

単一熱媒系の特徴は、熱媒が単一の循環のみで流れるため、一つのポンプで加熱と冷却を同時に行うことが可能であり、装置構造を簡略化出来る点が挙げられる。また、加熱器を出た加熱熱媒は低温となって冷却器に入り、引き続き冷却を行って高温となって加熱器に戻る。すなわち、加熱・冷却の間で熱の再生が行われているので熱効率が良い。ただし、加熱器に戻る熱媒温度が冷却器に戻る熱媒温度より低い場合は逆に熱効率が低下するので、再生熱交換器を用いるのが好ましい。

一方、個別熱媒系は、加熱・冷却が独立しているので、加熱熱媒と冷却熱媒に異なる物質を用いることができる。これにより、より大きい温度差で加熱・冷却を行うことが可能となる。この場合も、加熱器・冷却器に戻る熱媒温度によっては熱交換器を利用する必要がある。また、個別熱媒系において加熱・冷却に同じ物質を用いた場合は、状況に応じて単一熱媒系のバルブ切り替えルールと個別熱媒系のバルブ切り替えルールを使い分けて運転すると、熱交換器を用いることなく熱効率の低下を回避することが出来る。

本発明は、（１）熱エネルギーのみで圧力差を付与させ、これによって特段の圧縮装置等の可動機械類を用いることなく、超臨界あるいは亜臨界流体等の高圧流体であるプロセス流体を利用した処理システムに適した高圧場を、効率良く提供することができる、（２）送り出し用の高圧ポンプ装置を備える必要がない、装置の構造を簡略した高圧流体供給装置を構築することができる、（３）高圧流体を所望の圧力及び流量に安定的に維持することが可能になる、（４）特段の機械的操作を用いることがないため、高圧媒体の漏れ、可動部分からの粉塵、騒音等の発生のない超高圧流体供給装置を提供することができる、（５）高温高圧の反応場を簡便に提供することが可能であり、超臨界流体等の高圧流体を用いた高圧反応の技術分野において、効率良く高圧場を形成することができる、という格別の効果が奏される。

次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

本実施例は、４個の吐出器からなる単一熱媒系の熱駆動高圧流体供給装置を構築した。その熱媒系の配管フロー図を、図３に示す。各吐出器は、プロセス流体の充填用バルブＶ１と、吐出用Ｖ２或いは凝縮器連通用Ｖ３を備えていて、例えば、図１又は図２に示すように構成されているが、本発明の特徴点である熱媒の流れを明確に示すために、プロセス流体の流路は省略して記載した。本実施例の熱媒系は、４個の吐出器、１台の加熱器、１台の冷却器、熱媒の流量と圧力を調整するバルブとポンプ、及び再生熱交換器から構成した。図中に示した吐出器は、各５個ずつのバルブを備え、これらは熱媒の流れを制御する。吐出器の数を４としたときの熱媒系の配管を、例えば、第３番目の吐出器について示すと、熱媒入り口は、加熱器出口、冷却器出口、及び第４番目の吐出器の熱媒出口の３箇所に接続し、それぞれにバルブを設置した。熱媒出口は、加熱器入り口、冷却器入り口、及び第２番目の吐出器の熱媒入り口に接続し、バルブを設置した。冷却器出口は、各吐出器の他に、加熱器入り口にも接続し、同様に加熱器出口は冷却器入り口にも接続した。他の吐出器の配管は、例示した第３番目の吐出器と同様に行った。必要があれば、加熱器入り口の直前と冷却器入り口の直前に熱交換器を設置することができる。

上述の各バルブ切り替えにより、各吐出器と加熱器、冷却器は全て直列で接続し、加熱・吐出を終了した吐出器は冷却路の最下流に、冷却・充填を終了した吐出器は加熱路の最下流に、接続するように制御した。図３に示した高圧流体供給装置を運転することにより、単一の熱媒体で、全ての吐出器の加熱冷却が可能となり、連続した高圧プロセス流体を供給することができた。

本実施例では、４個の吐出器を有する個別熱媒系の熱駆動高圧流体供給装置を構築した。本装置は、上記の単一熱媒供給系装置に、加熱器から加熱器へ、冷却器から冷却器へのパスを追加し、熱媒の流量と圧力を調整するポンプとバルブを追加した構造とした。その配管図を図４に示す。各バルブ切り替えは、上記単一熱媒系で説明したバルブ切り替えと同様にすることにより運転が可能であったが、本実施例では、加熱と冷却を個別の熱媒循環で行うために、バルブ切り替えは、加熱系は加熱器と被加熱吐出器の直列循環とし、冷却系は冷却器と被冷却吐出器の直列循環とし、加熱・吐出を終了した吐出器は、冷却路の最下流に接続し、冷却・充填を終了した吐出器は、加熱路の最下流に接続するように行った。もし、加熱器に戻る熱媒の温度が冷却器に戻る熱媒の温度より低ければ、図４に示したように熱交換器を利用することで熱効率を改善した。

本実施例では、プロセス流体を二酸化炭素とし、単一熱媒系の装置により、２０ＭＰａの超臨界二酸化炭素流体を形成した。本高圧流体供給装置として、図３に示した構成の装置を使用し、初期状態５℃、４ＭＰａの二酸化炭素を吐出器に供給し、これを、２０ＭＰａに昇圧して吐出させることを運転条件とした。吐出終了時点は、吐出器内の二酸化炭素の温度が１５０℃に達した時とした。熱媒として水を用いた。初期状態の、５℃、４ＭＰａの二酸化炭素を、吐出器内に密閉して加熱する、定容加熱過程により始めた。加熱するに応じて、吐出器内の圧力は、図６に示した、二酸化炭素の定容加熱曲線（密度：８９６ｋｇ／ｍ^３）に沿って増加し、２０ＭＰａの圧力を得るには、二酸化炭素を２８℃に昇温することにより達成された。ここで、定容加熱過程は終了し、次の定圧加熱過程に移行した。吐出器からは、２０ＭＰａの二酸化炭素が吐出して臨界流体利用プロセスへと供給され始めた。二酸化炭素の圧力を２０ＭＰａに保つにあたり、吐出された二酸化炭素の減少分による減圧を補うために昇温した。このときの密度−温度の関係（二酸化炭素の定圧加熱曲線（圧力：２０ＭＰａ））を図７に示す。２８℃、２０ＭＰａ高圧二酸化炭素は、図７によれば、８９６Ｋｇ／ｍ^３の密度を有する、これを定圧加熱すると、１５０℃において、３２７Ｋｇ／ｍ^３の密度となる。したがって、両数値の差に相当する、５６９ｋｇ／ｍ^３の二酸化炭素が、２０ＭＰａの高圧流体として吐出した。

次に、定圧冷却過程に移り、吐出器は密閉され、冷却器により冷却された熱媒により約５℃に冷却することにより、吐出器内を低圧状態となし、次いで、吐出器の充填用バルブを開けて定圧冷却過程に移行すると、低圧の吐出器内には、プロセス流体の貯蔵タンクより二酸化炭素が自然に供給され、初期状態に戻った。こうした過程を、４個の吐出器で繰り返すことにより、連続して高圧の二酸化炭素を、超臨界流体利用プロセスに供給することができた。

以上詳述したように、本発明は、熱エネルギーの授受による流体の状態変化のみによって、実質的に圧力差を付与させ、これによって特段の機械的操作を用いることなく、亜臨界ないし超臨界等の高圧流体を得ることが可能な熱駆動型高圧流体供給装置において、吐出器内のプロセス流体の効率的な加熱と、迅速な再充填を可能とするものである。また、本発明は、吐出器内のプロセス流体を加熱・冷却するための、効率の良い熱媒流路系を設定することを可能とするものである。本発明は、高圧のプロセス流体を連続して吐出することが可能な熱駆動型高圧流体供給装置、及びその装置を使用した高温高圧処理システムを提供することを可能とするものであり、特段の機械的操作を用いることなく、亜臨界ないし超臨界等の高圧媒体を得ることを可能とするものである。更に、本発明は、高圧媒体の漏れ、可動部分からの粉塵、騒音等の発生のない高温高圧の反応場を提供するものであり、例えば、化学合成技術、抽出技術、産業廃棄物の処理技術等に有用であり、また、超臨界流体等を用いた高温高圧の処理技術分野に必要な高圧場を効率よく供給することを可能とするものとして有用である。

吐出器の構造の概念図を示す。 吐出器と貯蔵タンクの高低レベル差により流体を吐出器に充填する構造の概念図を示す。 本発明の、単一熱媒系の配管の例を示す。 本発明の、個別熱媒系の配管の例を示す。 本発明の、数値シミュレーションの結果を示す。各図面は、上から順に、吐出流体の温度変化、各吐出器の圧力変化、各吐出器の密度変化、各吐出器からの吐出流量及びこれらを合流させた吐出流体の流量を示す。 二酸化炭素の定容加熱曲線（密度：８９６ｋｇ／ｍ^３）を示す。 二酸化炭素の定圧加熱曲線（圧力：２０ＭＰａ）を示す。

Claims (13)

1. 熱媒流路内に形成された、１又はそれ以上の吐出器と、加熱器、冷却器を有し、該吐出器内のプロセス流体に、定容加熱、定圧加熱及び充填の各処理を繰り返すことにより、高圧プロセス流体が吐出される熱駆動型高圧媒体供給装置であって、各吐出器と加熱器、冷却器が、熱媒体流路内で、カスケード構造となるよう構成されていることを特徴とする熱駆動型高圧流体供給装置。
2. 各吐出器と加熱器、冷却器は、直列に接続されて加熱流路及び冷却流路を形成し、加熱・吐出を完了した吐出器は、冷却流路の最下流に接続され、充填過程を終了した吐出器は、加熱流路の最下流に接続されるように構成されている請求項１に記載の熱駆動型高圧流体供給装置。
3. ｎ個の吐出器を有する熱駆動型高圧流体供給装置において、第ｉ番目（ｉは１〜ｎの整数）の吐出器の熱媒入口は、加熱器出口、冷却器出口、及び第ｉ＋１番目（ｉ＋１がｎ＋１の時は１番目）の熱媒出口に接続され、第ｉ番目の吐出器の熱媒出口は、加熱器入口、冷却器入り口、及び第ｉ−１番目（ｉ−１が０のときはｎ番目）の吐出器の熱媒入口に接続されている請求項１に記載の熱駆動型高圧流体供給装置。
4. 吐出器を冷却することにより、吐出器内にプロセス流体が充填される請求項１に記載の熱駆動型高圧流体供給装置。
5. プロセス流体貯蔵タンクと吐出器の高低のレベル差により、吐出器内にプロセス流体が充填される請求項１に記載の熱駆動型高圧流体供給装置。
6. プロセス流体をポンプ輸送することにより、吐出器内にプロセス流体が充填される請求項１に記載の熱駆動型高圧流体供給装置。
7. 加熱器から直接加熱器へ循環可能な熱媒流路、及び冷却器から直接冷却器へ循環可能な熱媒流路を更に有し、加熱流路及び冷却流路が独立して形成される請求項１に記載の熱駆動型高圧流体供給装置。
8. 冷却器に流入する熱媒と加熱器に流入する熱媒との間で熱交換を行うことが可能な熱交換器が設けられている請求項１に記載の熱駆動型高圧流体供給装置。
9. 上記プロセス流体が、亜臨界ないし超臨界の流体である請求項１に記載の熱駆動型高圧流体供給装置。
10. 上記プロセス流体が、水又は二酸化炭素である請求項１に記載の熱駆動型高圧流体供給装置。
11. 上記定容加熱が、温度２５０℃以下、圧力４００ＭＰａ以下で行われる請求項１０に記載の熱駆動型高圧流体供給装置。
12. 上記定圧加熱が、８００℃以下で行われる請求項１０に記載の熱駆動高圧流体供給装置。
13. 上記請求項１から１２のいずれかに記載の熱駆動型高圧流体供給装置から供給される高圧流体を反応場とすることを特徴とする高圧流体利用装置。
    

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